窑温控制系统的设计.docx

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窑温控制系统的设计

摘要

模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。

本设计是用模糊控制方法控制养护窑的窑温，介绍了一种利用S7-200型PLC来实现砌块养护窑的自动控制系统，详细介绍了系统的硬件配置以及软件设计流程图，并根据模拟实验的编程经验，介绍了编程中的关键问题。

控制程序采用分块结构，软件部分采用PLC编程，主程序流程控制采用子程序调用。

每个养护窑由一个热敏电阻检测养护窑内温度，由开关控制养护窑的起停，由1个进气电磁阀、1个排气电磁阀和1个风机的周期闭合与断开来控制进气量，达到调节养护窑内温度的目的，使养护窑的温度严格地控制在要求的范围之内。

本设计内容通俗易懂而且理论联系实际，具有较高的参考价值。

关键词：

模糊技术；窑温；电磁阀；PLC

Designthetemperatureofthekilncontrol

ABSTRACT

Itisbyassemblingthetheoryfuzzilyasakindofnewdevelopingcontrolmeansonthefoundationtocontrolfuzzily,itistheresultthattheoryandfuzzytechnologyandautomaticcontroltechnologyoffuzzysystemcombinedtogether.

Itdesignstocontrolthetemperatureofthekilnwiththemethodofthefuzzycontrol.ThispaperhasintroducedacontrolfuzzilywaybasedonS7-200PLCthatisusedtoauto–controlbrick-conservedstoves.Inthispaper,thesystem’shardwareandsoftwareisalsointroduced.Thecontrolprocedureadoptsanddividesastructure.ThepartofthesoftwareadoptsPLCprogramming,theprocedureofthemainprogramcontrolsandadoptsthesubprogramtotransfer.Eachmaintainkilnisitmaintainkilntemperaturetomeasurebyonethermalresistor,maintaincontroltoisitparktoblowkiln,enterbyoneangryelectromagneticvalve,oneexhaustelectromagneticvalveandonecycleofairblowerclosewithbrokentoisitcontroltheairinflowtocome,achievethegoalofregulatingandmaintainingtemperatureinthekiln,makethetemperatureofmaintainingthekilncontrolwithintherangethatisrequiredstrictly.

Designcontenteasy-to-understandbutalsocombinationsoftheoryandpracticeoriginally,havehigherreferencevalue.

KEYWORDS:

fuzzytechnology；thetemperatureofthekiln；electromagneticvalve；PLC

第一章前言

1.1窑温控制系统的发展概况

随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平的提高，各种住宅小区、商用建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。

建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块生产业的飞速发展与技术革新。

传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的，加工周期长，成功率不高。

现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑，用来加快砌块的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。

其中GJ型系列养护窑被列为“八五”及“九五”期间国家级科技成果重点推广计划项目，属国际首创，居国际领先水平。

整个系统的特点是：

优质、高效、节能，是世界水泥制品养护史上重大突破，创新了“强制式热交换、声能、负压养护技术”，使窑内温度场、湿度场、压力场、速度场、声能场分布均匀，使水泥制品水化反应具备良好条件，提高水泥砌块等制品密实度和弹性模量，相应地提高了砌块的抗压强度、抗冻性能、抗渗透性能，减少相对含水率，有效地解决了砌块建筑存在的热、裂、渗等难题。

整个控制系统是由新式窑体结构、热工供调系统、工业计算机控制系统组成的成套技术工艺设备。

其控制核心即为单片机。

使用单片机做控制核心，具有成本低、体积小、程序简短等优点，较适合小型控制系统。

本文以GJ型系列养护窑为例，介绍一种以PLC为控制核心、以模糊控制理论为依据的智能炉窑温控制系统[1]。

1.2模糊控制及其发展现状

模糊控制作为智能控制中的一个子系统，它的发展和应用是相当迅速的。

自从1965年美国L.A.Zadeh教授首先提出模糊集合和模糊控制的概念后，许多国家都投入了大量的研究人员对模糊理论和模糊控制进行研究。

尽管模糊集理论的提出至今只有30多年，但关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重要论文都极大的促进了模糊控制理论的应用与发展。

最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、迷糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数（或规则）自调整模糊方面的研究，尤其受到各国学者的重视。

我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式辨别等领域取得了不少有实际影响的结果。

可以预料，随着模糊控制理论的不断完善，其应用领域将会更加广泛。

1.3本文主要研究内容

本文的主要内容：

1.绪论

2.方案的选择本设计是用模糊控制方法控制养护窑的窑温。

3.系统硬件的设计模糊控制养护窑的结构及其它构成。

4.软件设计软件部分采用PLC编程，主程序流程控制采用子程序调用。

5.系统调试熟悉各工艺设备的性能、设计与安装情况，特别是各设备的控制与动力接线图，并与实物相对照，以及时发现错误并纠正。

第二章窑温控制流程及方案的选择

2.1系统概述

砌块在生产过程中最后一道工序是养护。

目前养护的方法有两种。

一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。

这种养护方法投资少，养护成本低。

缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要求较高时，无法保证高质量与短生产周期。

尤其在我国北方地区的冬季，温度低，阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。

但是在一些规模较小的砌块加工场所还经常用到这种养护方法。

另一种养护方法就是在养护窑中进行养护。

用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。

养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。

它能保证产品质量，保证生产进度，不受天气影响。

控制过程应该满足如下要求：

总起动按钮按下以后，整个系统允许运行。

按下总停止按钮，整个系统停止运行。

每个窑都可以自行控制。

按下各窑的起动按钮后，各窑开始运行，按下其停止按钮，各窑停止运行，按下急停按钮，禁止各窑的输出控制。

每个窑的具体流程控制要求：

启动电动机，供风循环热气流；开启进气阀门，供热气控温；经过一定时间（设恒温10h），关闭进气阀门；打开排气阀门，排气；按下停止按钮，关风机，关排气阀，准备砌块出窑。

连锁要求只要有一个窑排气，总排气阀要打开，只有总进气阀打开，才能起动各窑进气阀[2]。

2.2方案选择

2.2.1方案一：

单片机控制窑温

养护窑窑温单片机（微型电脑）可编程温度控制装置是由核心部件单片机智能可编程序仪表和功放继电器——接触器环节、电热炉及温度测量传感器热电偶组成。

举例单片机能按照钓竿生产的工艺要求提供电热炉最高温度设定值达到300度，每个温度段的时间设定范围为0～255分钟，温度段数最高为7段，并且可以在可编程仪表内部同时设置四条不同的温度曲线，以便于现场控制时的方便选择。

编程是控制前的首要工作，先根据陶瓷器的生产工艺对加热要求将温度曲线分割成五段。

分别把各温度段的起始温度和段时间及允许温度偏差值靠仪表面板上小型按钮全数字式设定送入单片机，并予以存储。

同时把预埋在电热炉中的温度传感器热电偶的信号也连接到单片机的输入接口。

电热炉开机运行后，单片机将原设定并存储于RAM存储器中的数据调出，按照各温度段线性增加或递减给定温度值，与此时电热炉中的热电偶传感器不断测量得到的电热炉实际温度值进行比较，单片机按照两者的偏差进行比例、积分和微分（PID）运算，送出最佳调节信号，通过功放继电器——接触器放大，控制电热器通电的强弱，使整个生产过程的养护窑窑温控制在生产要求的温度偏差范围内，以实现最优控制[3]。

2.2.2方案二：

PLC控制窑温

用PLC编程，用模糊控制、PWM、PID等控制方法对养护窑内的温度进行控制。

本文重点介绍一种模糊控制控制算法。

系统用PWM脉冲去控制进气阀门的打开与关断，从而控制养护窑的温度。

2.3可编程控制器

2.3.1可编程控制器的简介

近年来，可编程序控制器技术发展很快。

可编程序控制器的英文为ProgrammableController，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。

由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC-ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。

PLC是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代自动化控制装置。

早期的可变程序控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器，简称PLC。

由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：

一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。

近年来，单片机的出现，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。

这种PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和规模比较小的自动线控制。

二是朝着大型、高速、多功能方向发展。

大型PLC一般为多处理器系统,由字处理器、位处理器和负电处理器等组成，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。

2.3.2可编程控制器（PLC）的构成原理

可编程序控制器是一种存储程序控制器，支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。

由可编程序控制器（PLC）构成的存储程序控制系统有三部分组成：

a.输入部分b.输出部分c.控制部分

1.PLC的硬件组成

PLC的硬件一般由主机、I/O扩展机及外部设备组成，其简化框图如图2.1所示。

仅由主机无扩展机的方式称为基本构成。

带有扩展机的构成方式称为扩展构成方式。

图2.1PLC硬件简化框图

（1）主机

在主机内部，有微处理器（MPU）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O单元，诊断PLC的硬件状态；借助变成其接受键入的用户程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的是须接受输入状态、刷新输出状态，与外部设备交换信息等[4]。

（2）电源

（3）输入/输出模块

输入/输出模块即I/O模块，是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。

PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入主机，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行机构。

直流输入、输出模块如图2.2、2.3所示。

图2.2直流开关量输入电路

图2.3直流晶体管输出电路

（4）功能模块：

a）模拟量输入模块（即A/D模块）：

该模块用于将模拟量转换为数字量，将数字量输入到PLC内部。

b）模拟量输出模块（即D/A模块）：

该模块用于将PLC内部的数字量转换为模拟量，将模拟量输出到PLC外部。

c）动态输入/输出模块：

该模块采用动态扫描方式进行输入/输出，可用于构成用户定义键盘和进行数码管显示等。

（5）扩展口：

扩展口是PLC的总线接口。

主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。

（6）编程器：

编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。

（7）其他外设：

PLC可带打印机、CRT显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与PLC连接。

2.PLC的软件系统

（1）系统程序：

系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。

系统程序分为系统监控程序和解释程序。

系统监控程序用于监视并控制PLC的工作，如诊断PLC系统工作是否正常，对PLC模块的工作进行控制，与外设交换信息，根据用户的设定使PLC处在编制用户程序状态或者处在运行用户程序状态等。

（2）用户程序：

用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。

用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中[5]。

2.4进行方案选择

单片机控制系统控制窑温的过程中，单片机控制系统要按照两者的偏差进行比例、积分和微分（PID）运算，送出最佳调节信号，还要根据生产工艺对加热要求将温度曲线分割成五段，因此单片机控制系统控制窑温的过程比较复杂，用的硬件设备也比较多，编程也较为复杂；而PLC控制系统相对就要简单得多了，它的硬件比较简单，编程也较为简单，控制过程也不复杂，可靠性也比较高，所以说从节约能源和时间方面考虑，无需采用单片机控制系统，而应该选择PLC控制系统。

第三章控制系统的原理分析

3.1控制原理

模糊控制系统中过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，免去了不少不必要的麻烦，因此我采用模糊控制系统控制养护窑的窑温。

下面对模糊控制的相关内容和具体设计进行详细地介绍。

3.1.1模糊控制理论

模糊逻辑在控制领域中的应用成为模糊控制。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推力为基础的一种计算机数字控制。

模糊控制的最大特征是，它能将操纵者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统，因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。

从信息的观点来看，模糊控制是一类规则型的专家系统从现行控制与非线性控制的角度看，模糊控制是一类规则型的专家系统，从线性控制与非线性控制的角度看，模糊控制是一种非线性控制，从控制器的智能看，模糊控制属于职能的范畴。

可以这样说，如果没有模糊数学，就不会有模糊控制；同样，如果没有计算机，模糊自动控制也无法实现。

3.1.2模糊控制的基本思想

在自动控制技术产生之前，人么再生产过程中只能采用手动控制方式。

手动控制过程首先是通过观测被控对象的输出，其次是根据观测结果作出决策，然后手动调整输入，操作工人就是这样不断地观测—决策—调整，实现对生产过程的手动控制。

这三个步骤分别是诱人的眼—脑—手来完成的。

后来，由于科学和技术的进步，人们逐渐采用各种测量装置（如测量仪表、检测装置、传感器等）代替人的眼，完成对被控制量的观测任务；利用各种控制器（如磁放大器，由直流运算放大器加阻容反馈网络构成的PID调节器等）部分的取代人脑的作用，实现比较、综合被控制量与给定量之间的偏差，控制所给出的输出信号相当于手动控制过程中人脑的决策；使用各种执行机构（主要是电动的、气动的，如伺服电机、气动调节阀等）对被控对象（或生产过程）施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调节作用。

上述有测量装置、控制器、被控对象及执行机构组成的自动控制系统，就是人们所悉知的常规负反馈控制系统。

手动控制和负反馈控制的方框图分别为如图3.1、3.2所示。

图3.1手动控制方案

图3.2常规反馈控制方框图

经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的。

然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。

随着计算机尤其是危机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展[7]。

基于状态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用，但是，应该指出，无论采用经典的控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象（或生产过程）精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。

总结人的控制行为，正是遵循反馈即反馈控制的思想。

人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。

运用微机的程序来实现这些控制规则，为己救起到了控制器的作用。

于是，利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。

模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验。

二人的控制经验一般是由语言来表达，这些语言表达的控制规律又带有相当的模糊性。

如人工控制水槽水位的经验可以表达为：

（1）若水槽无水或水较少时，则开大水阀；

（2）若水位和要求的水位相差不太大，则把水阀关小；

（3）若水位块接近要求的水位，则把阀门管得很小；

……

在描述控制规则的条件语句中的一些次，如“较大”、“较小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集和来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。

可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些概念及它们之间的关系，又可以根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值（需化成模糊量）用模糊逻辑推理的方法的初次时刻的控制量。

这正是模糊控制的基本思路。

3.1.3模糊控制系统的基本组成

模糊控制系统的框图如图3.3所示：

图3.3模糊控制系统框图

由图可见，模糊控制系统的结构与一般的计算机数字控制系统基本类似，只是它的控制器为模糊控制器。

它也是一个计算机数字控制系统，控制器由计算机实现，需要A/D，D/A转换接口，以实现计算机与模拟环节的连接。

它也是一个璧还反馈控制系统，被控量要反馈到控制器，预设定之相比较，根据误差信号进行控制[8]。

模糊控制系统由以下几部分组成：

模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执行机构和被控对象。

1.被控对象

被控对象是一种设备或装置或是若干个装置或设备组成的群体，它们在一定的约束下工作以实现人们的某种目的。

工业上典型的被控对象是各种各样的生产设备实现的生产过程，它们可能是物理过程，化学过程或是生物化学过程。

从数学模型的角度讲，它们可能是单变量或多变量的，可能是线性的或非线性的，可能是定常的或时变的，可能是一阶的或高阶的，可能是确定性的或是随机过程，当然也可能是混合有多种特性的过程。

正如前文所述，有不少对象是难以建模的。

对于难以建立精确数学模型的复杂对象，对于非线性和时变对象，模糊控制策略是较为适宜采用的一种方案。

2.检测装置

检测装置一般包括传感器和变送装置。

它们检测各种非电量如温度、流量、压力、液位、转速、角度、浓度、成份等并变换放大为标准的电信号，包括模拟的或数字的等形式。

在某些场合，检测量也可能是电量。

检测装置的精度级别应该高于系统的精度控制指标，这在模糊控制系统中同样适用，但是，一般认为在以高精度为目标的控制系统中不宜采用模糊控制方案，因此在模糊控制系统中检测装置的精度应视具体控制指标的要求具体确定。

3.执行机构

执行机构是模糊控制器向被控对象赖以施加控制作用的装置，如工业过程控制中应用最普遍最典型的各种调节阀。

执行机构实现的控制作用常常表现为使角度、位置发生变化，因此它往往是由伺服电动机、步进电动机、气动调节阀、液压阀等加上驱动装置组成。

4.输入输出接口

输入输出接口是实现模糊控制算法的计算机与控制系统连接的桥梁，由图2-14，输入接口主要与检测装置连接，把检测信号转换为计算机所能识别处理的数字信号并输入给计算机。

输出接口把计算机输出的数字信号转换为执行机构所要求的信号，输出给执行机构对被控对象施加控制作用。

由于大部分检测装置和执行机构的信号都是模拟信号，因此输入输出接口常常是模数转换电路（A/D）和数模转换电路（D/A）[9]。

5.模糊控制器

模糊控制器是模糊控制系统的核心，也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的主要标志。

模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法，计算机可以是单片机，IPC，工业控制机等各种类型的微型计算机，程序设计语言可以是汇编语言，C语言及其它备种语言。

现在也有一些模糊芯片实现模糊逻辑推理算法，成为模糊控制器的重要组成部分。

3.1.4模糊控制的基本原理

在实际生产过程中，人们发现，有一经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应决策，很好的完成控制工作。

例如，要用建立数学模型解数学方程的方法来控制倒立摆直立不倒是一件很困难的事情，但人们在用手控制竹竿直立不倒时，一边用眼观测，一边用手控制；若竹竿向前倾，则手向前运动；若竹竿向前倾一点，则手向前动一点；若竹竿突然向后倒，则手快速向后退。

这里，人的经验可以用一系列具有模糊性的语言来表述，这就是模糊条件语句。

再用模糊逻辑推理对系统的实时输入状态观测进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊控制。

模糊控制能避开对象的数学模型（如状态方程或传递函数等），它力图对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用CRI等各类模糊推理方法，可以得到适合控制要求的控制量，可以说模糊控制器是一种语言变量的控制器[10]。

3.1.5模糊控制算法

模糊控制算法的目的，就是从输入的连续精确量中，通过模糊推理的算法过程，求出相应的情系指的控制算法。

模糊控制算法有多种实现形式。

为了便于在数字计算机中实现，同时考虑算法的实时性，模糊控制系统目前常采用的算法有：

CAI推理的查表法，CAI推理的解析公式法，Mamdani直接推理法，后件函数法等。

3.2模糊控制器基本设计方法

模糊控制器是模糊控制系统的核心，因而在模糊控制系统设计中怎样设计和调整模糊控制器及其参数是一项很重要的工作。

3.2.1模糊控制器的结构设计

模糊控制器的结构设计就是要确定模糊控制器的输入变量和输出变量。

究竟选择何种信息作为模糊控制器的变量，必须深入研究手动控制过程中有经验的操作人员主要根据哪些信息来控制被控对象向预期目标逼近。

1.手动控制过程中的信息量

人在进行手动控制过程中，操作者期望实现控制目标，一旦偏离了目标，出现了偏差，操作者便根据偏差的大小进行调整。

人的大脑中误差的“大”或“小”，这些概念是模糊的。

在整个手动控制过程中，人所能获取的信息一般可以概括为三个:

误差、误差的变化和误差变化的速率。

2.模糊控制器的输入输出变量

在手动控制过程中，人对误差、误差的变化以及误差变化的速率这三个信息的敏感程度是完全不同的。

比如，在往空桶中放水时，人对水面高度离桶上